李 煒,朱殿瑞
(太原重工軋鋼設(shè)備分公司,山西 太原 030024)
太重軋鋼分公司研制的36MN扁擠壓筒組件,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造精度高,加工部位形狀特殊,一般工藝方法無(wú)法滿足加工要求。其組成包括:擠壓筒內(nèi)襯、擠壓筒外套、扁擠壓墊、扁清理墊及扁擠壓桿等零件。主要適用于鎂合金特殊形狀型材的正向擠壓成形[1-2]。
扁擠壓筒外觀如圖1所示,其主要參數(shù)為:總擠壓力36MN;扁孔尺寸160mm×450mm×900mm;組件外形尺寸?1350mm×900mm;扁孔內(nèi)腔粗糙度Ra1.6;熱處理硬度 47-50HRC;σb≧1300~1400N/mm2。
扁擠壓筒內(nèi)襯材料為耐熱合金工具鋼H13,外形尺寸?700mm×900mm,扁孔尺寸160mm×450mm×900mm,結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖1 扁擠壓筒外觀示意圖
圖2 擠壓筒內(nèi)襯結(jié)構(gòu)
內(nèi)襯加工的核心難點(diǎn)在于:①三段圓弧的加工及扁孔平面開(kāi)檔的加工;②形狀決定淬火后內(nèi)應(yīng)力大,容易產(chǎn)生裂紋,要保證零件的使用壽命;③內(nèi)孔精度高,需要在淬火及熱裝后精加工,但淬火后硬度達(dá)47-50HRC,如何保證精度及光潔度;④熱裝后組件規(guī)格為?1350mm×900mm,重量8000kg,需要選擇合適的機(jī)床。
扁擠壓筒組件的工藝流程可大致分為:1-粗加工;2-探傷;3-晶粒度檢查;4-調(diào)質(zhì);5-半精加工;6-淬火;7-半精加工;8-消除應(yīng)力;9-半精加工;10-熱裝;11-精加工。
關(guān)鍵工序是熱裝后精加工中內(nèi)孔的拋光,需要制作一整套拋光工具,難度很大[3-4]。
2.2.1 試制缺陷分析
在首個(gè)扁擠壓筒研制的過(guò)程中,發(fā)生了扁擠壓筒內(nèi)襯在精加工過(guò)程使用線切割進(jìn)行內(nèi)孔加工時(shí)產(chǎn)生整體開(kāi)裂的事故。裂紋成Y字形,整體裂透。經(jīng)過(guò)多方專家會(huì)審,初步判斷是由于內(nèi)襯壁厚不均勻,導(dǎo)致熱處理、機(jī)加工等應(yīng)力疊加,在線切割過(guò)程中應(yīng)力平衡被打破,在應(yīng)力集中處即切口處突破強(qiáng)度極限,發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象[5]。
2.2.2 改進(jìn)措施
為了保證扁擠壓筒組件的成功研制,在吸取了首個(gè)擠壓筒內(nèi)襯失敗的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)討論,對(duì)冶煉、鍛造、熱處理及機(jī)加工提出了要求,并及時(shí)對(duì)圖紙及技術(shù)要求進(jìn)行了更改,其處理措施如下[6]:
(1)為盡量避免線切割工序,設(shè)計(jì)更改扁孔,由三段圓弧對(duì)接結(jié)構(gòu)變更為完整半圓弧結(jié)構(gòu)。
(2)冶煉時(shí)要采用精煉爐及氬幕保護(hù),盡量降低雜質(zhì)及氣體含量,含碳量控制在0.32%~0.39%范圍內(nèi)。
(3)鍛造采用中心鍛實(shí)法及V型砧鍛造,保證芯部鍛造質(zhì)量。鍛造過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制終鍛溫度。鍛后熱處理工藝要求球化處理,細(xì)化晶粒。
(4)調(diào)質(zhì)前除探傷檢查外還需進(jìn)行晶粒度檢查,檢查部位應(yīng)盡量靠近中心,外圓也要取兩點(diǎn)。如達(dá)不到五級(jí),調(diào)質(zhì)前要先進(jìn)行正火細(xì)化晶粒。
(5)調(diào)質(zhì)前扁孔尺寸加工成300mm×140mm扁橢圓孔,淬火前加工單邊留4mm余量,為了降低熱處理應(yīng)力,硬度由原來(lái)的HRC47-50變更為HRC40-46,淬火后進(jìn)行消除應(yīng)力,溫度要求比回火溫度低50℃。在各熱處理過(guò)程中工藝人員要跟蹤控制中冷溫度不能太低。淬火后的回火次數(shù)由熱處理確認(rèn)是否需要增加[7]。
(6)機(jī)加工,特別是淬火后加工應(yīng)盡量避免線切割加工。
(7)在內(nèi)襯壁厚處鉆減應(yīng)力工藝孔,如圖3所示。用以均勻厚度,減小熱處理過(guò)程中的受熱及散熱不均勻引起的應(yīng)力集中。
圖3為兩種減應(yīng)力孔的方案,圖3a為圓弧式長(zhǎng)孔,3b為圓形通孔。經(jīng)有限元計(jì)算強(qiáng)度,并通過(guò)討論計(jì)算結(jié)果,圖3a無(wú)法滿足擠壓筒使用時(shí)的強(qiáng)度要求,所以決定采用圖3b方案。
圖3 減應(yīng)力工藝孔
扁擠壓筒的加工成功與否關(guān)鍵取決于工藝裝備,針對(duì)工藝裝備制作難度大這一問(wèn)題,根據(jù)現(xiàn)有車間的加工條件,考慮了兩種內(nèi)孔拋光方法。
增加補(bǔ)塊將扁孔兩端半圓弧拼成一個(gè)完整圓,進(jìn)行絎磨,并制作專用內(nèi)孔磨削工具磨削內(nèi)孔平面。制作的補(bǔ)芯需要與內(nèi)襯的硬度相近,需要表面淬火,否則容易使內(nèi)孔半圓弧不圓(見(jiàn)圖4)。補(bǔ)芯與內(nèi)孔平面配合,并制作鏜模,借助減應(yīng)力孔將補(bǔ)芯固定在內(nèi)孔中,防止竄動(dòng)。同時(shí)鏜模還可以增加刀桿導(dǎo)向防震功能。此方法的優(yōu)點(diǎn)是,在保證絎磨加工條件的同時(shí)還可以除去刀具和工件切削時(shí)產(chǎn)生的撞擊,并減小由于刀桿過(guò)長(zhǎng)下?lián)弦鸬恼`差[8]。
圖4 增加補(bǔ)芯進(jìn)行內(nèi)孔絎磨
內(nèi)孔平面磨削工具考慮了三種形式,如圖5、6、7所示。
圖5 內(nèi)孔平面磨削方案一
圖6 內(nèi)孔平面磨削方案二
圖7 內(nèi)孔平面磨削方案三
(1)將碗狀砂輪安裝在特種電機(jī)上,并用刀桿連接電機(jī)和牛頭刨床或鏜床,通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)碗狀砂輪及機(jī)床的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)磨削平面。由于扁孔開(kāi)檔只有160mm,碗狀砂輪厚度約50mm~60mm,剩余空間僅 余 100mm,因此,此方法要求電機(jī)厚度極薄,特種電機(jī)訂制還需要投入時(shí)間及資金。
(2)使用通用電機(jī),并通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將扭矩傳入扁孔內(nèi)部,來(lái)帶動(dòng)碗狀砂輪進(jìn)行磨削加工。由于磨削加工要求轉(zhuǎn)速很高,因此需使用高速齒輪,高速齒輪的制作廠家還需要考察。
(3)使用高速皮帶輪將電機(jī)扭矩傳導(dǎo)至碗狀砂輪處,帶動(dòng)砂輪進(jìn)行內(nèi)孔磨削。由于磨削時(shí)皮帶輪受力大,皮帶輪的受力與其寬度成正比,經(jīng)估算,寬度將超過(guò)內(nèi)孔開(kāi)檔尺寸160mm,因此很難滿足加工要求。
采用這種方案加工扁擠壓筒內(nèi)孔最關(guān)鍵的是扁孔平面與圓弧精確對(duì)接。最困難的是扁孔開(kāi)檔尺寸太小,長(zhǎng)度較長(zhǎng),相當(dāng)于長(zhǎng)懸臂加工,無(wú)法避免的由于自重產(chǎn)生下?lián)?,影響精度。同時(shí)內(nèi)襯材料很硬,加工時(shí)容易產(chǎn)生震動(dòng),這樣內(nèi)孔的粗糙度就會(huì)受到影響,需要制作自動(dòng)導(dǎo)向減震機(jī)構(gòu)來(lái)減小振動(dòng)帶來(lái)的不利影響。同時(shí)在進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)磨頭轉(zhuǎn)速高時(shí)容易燒傷加工表面,因此還需要制作磨削冷卻系統(tǒng)來(lái)降溫。
制作適合于機(jī)床裝卡使用的內(nèi)孔拋光工具,安裝在數(shù)控鏜床上進(jìn)行拋光,如圖8所示。
圖8 拋光內(nèi)孔
千葉輪拋光時(shí),線速度要求2000m/min,千葉輪直徑應(yīng)當(dāng)小于等于?160mm,考慮在數(shù)控拋光時(shí)千葉輪走到R80圓弧處時(shí),直徑越大則接觸面積越大,所需電機(jī)功率越大,容易造成電機(jī)卡死,因此選用千葉輪直徑?120mm。
根據(jù)公式:
V=πdn
可得:n=V/πd=2000/0.12π=5305 轉(zhuǎn)/分
經(jīng)過(guò)調(diào)研,選取上海駿馬氣動(dòng)工具有限公司的SX150氣動(dòng)砂輪機(jī)。此產(chǎn)品用于修焊縫、清理鑄件毛刺及粗磨削加工,金屬構(gòu)件表面的修正等方面也有廣泛應(yīng)用。工作時(shí)使用的是角磨機(jī)砂輪片。
此種馬達(dá)具有重量輕、轉(zhuǎn)速高、功率高的特點(diǎn),十分適合本次拋光加工,能將自重引起的刀桿下?lián)犀F(xiàn)象減輕到最小,又可以提供足夠的功率滿足拋光要求。但由于原產(chǎn)品用途不同,剛性較差,只適用于手工操作,且不能保證精度。而且工件硬度高,使用砂輪片長(zhǎng)時(shí)間磨削容易造成表面燒傷,并且砂輪磨損量大,對(duì)精度和表面質(zhì)量的提高會(huì)起到反作用。因此,必須進(jìn)行改裝。
為了提高剛性,保證加工精度,我們將氣動(dòng)馬達(dá)安裝到空心刀桿中,刀桿尾端做成適合機(jī)卡的錐柄,這樣就可以安裝到鏜床上使用。前端保護(hù)罩的功能主要是防止砂輪片撞擊工件后碎裂,飛濺傷人,但此次使用的是千葉輪,不存在砂輪炸裂的問(wèn)題,因此將保護(hù)罩拆掉,安裝千葉輪。千葉輪拋光時(shí)的摩擦力較砂輪磨削時(shí)的摩擦力小,因此馬達(dá)工作時(shí)的轉(zhuǎn)速應(yīng)當(dāng)會(huì)提高,滿足拋光條件。拋光深度可根據(jù)實(shí)際零件的深度制作不同長(zhǎng)度的刀桿(見(jiàn)圖9)。千葉輪粒度60,進(jìn)行粗拋,然后使用粒度200精拋[9]。
圖9 氣動(dòng)拋光工具
考慮到千葉輪拋光不容易改變?cè)純?nèi)孔形狀,將切削刀紋的波峰和波谷填平。出于這種考慮,在實(shí)際加工之前,我們?cè)O(shè)計(jì)了拋光試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)實(shí)際的拋光效果。
(1)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)用試塊采用與擠壓筒內(nèi)襯硬度基本接近的材料(見(jiàn)圖10),伸長(zhǎng)鏜桿,用插補(bǔ)刀盤(pán)側(cè)面銑平面,其目的是模擬實(shí)際加工時(shí)擠壓筒內(nèi)襯內(nèi)孔的表面質(zhì)量。并在刨床上安裝電機(jī),帶動(dòng)千葉輪旋轉(zhuǎn),然后進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng),進(jìn)而對(duì)試塊表面進(jìn)行拋光處理。
圖10 試塊硬度分布圖(HRC)
(2)試驗(yàn)條件。進(jìn)刀深度5mm;切削深度2mm;轉(zhuǎn)速280~290轉(zhuǎn)/分;鏜桿伸出長(zhǎng)度700mm;刀盤(pán)直徑160mm。切削后表面平面度0.05mm以下,中間接刀處平面度0.07mm,刀紋深度0.15mm。
(3)試驗(yàn)結(jié)果及分析。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量和目測(cè)情況來(lái)分析,千葉輪雖然能將尖銳的波峰拋掉,目測(cè)光潔度較好,但經(jīng)千分表打表測(cè)量,其波峰波谷之差最大能達(dá)到0.1mm。由此可得,千葉輪拋光雖然能將鋒利的波峰拋掉,提高表面質(zhì)量,但剛性稍差。當(dāng)波峰稍鈍的時(shí)候,就容易將波峰和波谷一起拋光,形成一種光滑過(guò)渡的波浪形曲線,也就是說(shuō),千葉輪拋光不具備修正平面形狀的能力。因此在拋光之前應(yīng)該盡量用機(jī)加工來(lái)保證內(nèi)孔的直線度、平面度,并盡量提高拋光前內(nèi)孔的粗糙度。具體方法是先用玉米銑刀去掉大部分余量后,用單刀精光圓弧面,并用插補(bǔ)刀盤(pán)精光內(nèi)孔平面,要求高轉(zhuǎn)速,小切削深度,慢走刀,目的是盡量減小換刀片的頻率,減少接刀,保證平面度,為千葉輪拋光打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
經(jīng)過(guò)討論,決定先使用第二套方案氣動(dòng)拋光工具對(duì)內(nèi)孔進(jìn)行拋光。第一套方案作為后備方案,在第二套方案加工效果不理想時(shí)啟用。
36MN擠壓機(jī)扁擠壓工具的設(shè)計(jì)制造成功極大地?cái)U(kuò)展了太重軋鋼公司的研發(fā)能力,使公司所有類型的臥式擠壓機(jī)在同類產(chǎn)品中具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
本次研制扁擠壓筒組件成功的關(guān)鍵在于:
(1)毛坯階段控制適當(dāng)?shù)暮剂?、改變鍛造方法、降低硬度?/p>
(2)淬火前增加減應(yīng)力孔;
(3)內(nèi)孔精加工采用插補(bǔ)刀盤(pán)銑削,并用加長(zhǎng)氣動(dòng)工具拋光。
以往千葉輪拋光法多用在車床拋光外圓、刨床拋光平面,而應(yīng)用于鏜床數(shù)控拋光不規(guī)則平面則是首次。為以后研制特殊形狀內(nèi)孔的擠壓筒組件奠定了基礎(chǔ)。
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